廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司
一、包材阻隔性能簡(jiǎn)介
定義：包裝材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透過的性能（其中的小分子包括水分子、O2、N2、CO2以及有機(jī)氣體等氣體分子），既包括阻隔外界氣體進(jìn)入包裝內(nèi)部，也包括阻止包裝內(nèi)部的水分、香氣等滲透出去。
計(jì)算方式：包裝材料的阻隔性可以用氣體透過量（率）或氣體透過系數(shù)來衡量。在GB/T 1038-2000中，氣體透過量指的是在恒定溫度和單位壓力差下，在穩(wěn)定透過時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)透過試樣單位面積的氣體的體積。氣體透過系數(shù)則是指在恒定溫度和單位壓力差下，在穩(wěn)定透過時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)透過試樣單位厚度、單位面積的氣體的體積。
不同阻隔性的材料
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阻隔性 |
氧氣透過率 |
常見材料 |
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低隔性 |
>0.1cc/day |
PE、PP、PS(聚苯乙烯)、PLA(聚乳酸) |
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中隔性 |
~0.05cc/day |
PVC、PET、Nylon、MET、BOPP、 |
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高隔性 |
<0.01cc/day |
LCP’s(液晶聚合物)、EVOH、PVDC、MXD6(特殊尼龍)、Foil(箔)、Siox coatings(氧化硅蒸鍍薄膜) |
二、塑料包材阻隔性能
塑料：四大包裝材料之一。
由聚合物和填料所組成
優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕、透明、價(jià)格低、易加工、不易碎等
在包裝中的應(yīng)用日益廣泛，需求量急劇增加
塑料結(jié)構(gòu)多樣，且影響因素較多——不同塑料的阻隔性也有很大的差異：
極性：不同化學(xué)組成的聚合物具有不同的極性，因而對(duì)不同小分子的溶解性差異顯著。
結(jié)晶度：聚合物大多為晶態(tài)與非晶態(tài)共存的結(jié)構(gòu)，晶態(tài)結(jié)構(gòu)中分子排列緊密有序因此幾乎不具有透過性，所以整個(gè)材料的氣體透過性則取決于晶態(tài)結(jié)構(gòu)的比例，即結(jié)晶度；結(jié)晶度又受聚合物分子結(jié)構(gòu)、分子量和加工工藝等的影響。
溫度：聚合物大分子的分子運(yùn)動(dòng)會(huì)隨溫度的升高而加強(qiáng)，導(dǎo)致自由體積增加，阻隔性隨之降低甚至喪失
濕度：具有親水性基團(tuán)的聚合物的阻隔性受濕度的影響也很大
高阻隔性塑料材料應(yīng)用舉例
食品包裝的阻隔性能
食品包裝的阻隔性能對(duì)保證食品的安全有著舉足輕重的作用:
• 再好的食品，再環(huán)保的包裝，如果阻隔性能不好，氧氣的大量滲入，會(huì)使富含脂肪和維生素類食品變色、哈變或酸敗，或使細(xì)菌和霉菌大量繁殖，直接影響食品的品質(zhì)。
• 滿足產(chǎn)品保質(zhì)保鮮的需要,保證預(yù)期的貨架壽命, 減少防腐劑的使用。
• 在選擇塑料包裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)所包裝食品的特點(diǎn)以及貯運(yùn)環(huán)境，選擇具有適宜阻隔性的材料。
三、阻隔性能影響因素
材料的阻隔性與滲透溶解-擴(kuò)散機(jī)理
滲透的溶解-擴(kuò)散機(jī)理：氣體在其高濃度的一側(cè)吸附于薄膜表面，在高分子薄膜體內(nèi)擴(kuò)散, 最后于其低濃度的薄膜一側(cè)脫附而揮發(fā)。
溶解-擴(kuò)散機(jī)理
質(zhì)量的傳遞速率與薄膜中滲透物的濃度梯度成正比,并與滲透物在薄膜兩側(cè)的壓力差成正比。
C: 濃度 P:壓力
影響阻隔性的因素
環(huán)境
• 溫度 • 濕度
材料本身
• 線性或非線性材料 • 結(jié)晶度,分子間吸引力,添加劑,樣品厚度
影響阻隔性的因素 ——溫度
經(jīng)驗(yàn)法則
•溫度每升高1℃， 滲透率增加5 to 7%
•溫度每升高
10 ℃， 滲透率加倍
影響阻隔性的因素——濕度
–相對(duì)濕度或水汽影響含氫鍵的極性高分子 (Nylon,材料EVOH)
–水汽不影響無氫鍵的極性高分子(PET)
影響阻隔性的因素——濃度
（對(duì)于線性材料，滲透率與滲透物濃度成正比）
•濃度與分壓成正比
•材料兩側(cè)的滲透物分壓梯度如下：
影響阻隔性的因素——濃度
滲透物濃度越大，其本身的滲透推動(dòng)力就越大。
濃度20.9%的氧氣 VS 濃度100%的氧氣
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氧氣透過率 |
0.0012 cc/day |
0.0052 cc/day |
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實(shí)驗(yàn)時(shí)間 |
4天 |
4天 |
影響阻隔性的因素——厚度
通常情況下，對(duì)于單層結(jié)構(gòu)的薄膜：厚度上升(x), 滲透下降(1/x)
多層結(jié)構(gòu)的滲透率可把每層的滲透率用并聯(lián)電阻公式疊加而成
材料越厚，越多層，氣體通過它的時(shí)間就越長(zhǎng)，也就是滲透率就越低。
四、阻隔性能改善方法
多層復(fù)合：
得到的復(fù)合膜的阻隔性與復(fù)合的層數(shù)、每層材料本身的阻隔性以及復(fù)合層的厚度有關(guān)。
目前常用的復(fù)合膜有三層、五層和七層這幾種。
高阻隔的復(fù)合膜中間層通常采用具有優(yōu)良阻隔性的材料，如鋁箔、EVOH、PVDC、PVA、PA等。
采用的復(fù)合工藝有干式復(fù)合、多層共擠出和多層共擠流延等。
表面改性或鍍層：
主要通過化學(xué)反應(yīng)對(duì)材料的表面進(jìn)行基團(tuán)修飾，從而改變其極性。
也可通過物理或化學(xué)的方法，將無機(jī)金屬或氧化物等蒸鍍?cè)赑ET等塑料薄膜表面，形成幾十到上百納米的阻隔層（采用該方法可將普通薄膜的阻氧和阻濕性能提高幾十至上百倍，甚至可得到透明、高強(qiáng)度的復(fù)合薄膜，因而具有巨大的應(yīng)用潛力）。
添加填料：
在聚合物中添加無機(jī)填料不僅可提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，且可有效改善材料的阻隔性。
研究最為廣泛且目前已經(jīng)商業(yè)化的是納米黏土與聚合物的復(fù)合材料。（納米黏土是一種層狀結(jié)構(gòu)且無透過性的硅酸鹽）。
但在用作食品包裝時(shí)，納米材料的遷移和安全性也是需要考慮的關(guān)鍵問題之一。
五、前沿檢測(cè)技術(shù)
阻水性測(cè)試方法
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方法 |
標(biāo)準(zhǔn) |
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杯式法/重量法（增重法；減重法） |
GB/T 1038-2000 <中國(guó)> ASTM E-96 <美國(guó)> ISO 2528 <國(guó)際> TAPPI T-464 <美國(guó)> |
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紅外法 |
GB/T 26253-2010 <中國(guó)> ISO 15106-2：2003(E) <國(guó)際> ASTM E-1249 <美國(guó)> TAPPI T-557 <美國(guó)> JIS K7129 <日本> |
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電解法 |
GB/T 21529-2008 <中國(guó)> GB/T 00092003-2015 <中國(guó)> ASTM E 398-2013 <美國(guó)> ISO 15106-3 <國(guó)際> |
水蒸氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
杯式法：在一定溫度下，使試樣兩側(cè)形成一特定的濕度差，水蒸氣透過試樣進(jìn)入干燥的一側(cè)，通過測(cè)定透濕杯的重量隨時(shí)間變化的量，從而計(jì)算出試樣的水蒸氣透過量。
杯式法工作原理圖
水蒸氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
杯式法：把試樣固定在測(cè)試腔中間將測(cè)試腔分上下兩個(gè)腔，相對(duì)穩(wěn)定濕度的氣體在薄膜的上腔流動(dòng)，下腔放置吸收濕氣的干燥裝置，水分子透過試樣擴(kuò)散到下腔，被干燥劑吸收，通過稱重傳感器測(cè)量干燥裝置的重量，從而計(jì)算出水汽透過量。
杯式法工作原理圖
水蒸氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
紅外法：采用紅外傳感器測(cè)試原理。將預(yù)先處理好的的試樣固定在測(cè)試腔中間，把測(cè)試腔分為上下兩個(gè)腔，相對(duì)穩(wěn)定濕度的氮?dú)庠诒∧さ纳锨涣鲃?dòng)，干燥氮?dú)庠谙虑涣鲃?dòng)；由于濕度梯度的存在，水蒸氣會(huì)從高濕腔穿過薄膜擴(kuò)散到低濕腔；透過試樣的水蒸氣被流動(dòng)的干燥氮?dú)鈹y帶至紅外傳感器，通過傳感器輸出的電信號(hào)得出試樣的水蒸氣透過率等參數(shù)。
紅外法工作原理圖
水蒸氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
電解法：采用電解傳感器原理。將預(yù)先處理好的試樣固定在測(cè)試腔中間將測(cè)試腔分上下兩個(gè)腔，相對(duì)穩(wěn)定濕度的氣體在薄膜的上腔流動(dòng)，干燥氣體在薄膜的下腔流動(dòng)，水分子透過試樣擴(kuò)散到另一側(cè)的干燥氣體中，被流動(dòng)的氣體攜帶至電解傳感器，通過對(duì)傳感器測(cè)量到的水汽濃度進(jìn)行分析，從而計(jì)算出水汽透過量。
電解法工作原理圖
阻氧性測(cè)試方法
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方法 |
標(biāo)準(zhǔn) |
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壓差法 |
GB/T 1038-2000 <中國(guó)> ASTM 1434-82 <美國(guó)> ISO 15105-1：2003(E) <國(guó)際> DIN 53536 <德國(guó)> JIS K-7129-A <日本> |
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庫(kù)侖電量法 |
GB/T 19789-2005 <中國(guó)> YBB00082003 <中國(guó)> ISO 15106-2：2003(E) <國(guó)際> ASTM D3985 <美國(guó)> DIN 53380-3 <德國(guó)> JIS K-7126-B <日本> |
氧氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
壓差法：將預(yù)先處理好的試樣放置在上下測(cè)試腔之間,在試樣的兩側(cè)形成一個(gè)恒定的壓差,氣體在壓差的作用下,由高壓腔通過薄膜向低壓腔滲透, 監(jiān)測(cè)低壓腔的壓力變化可計(jì)算出所測(cè)試樣的阻隔參數(shù)。
壓差法工作原理圖
氧氣透過率測(cè)試儀的測(cè)試原理
電量法：庫(kù)侖電量法原理，等壓法測(cè)試，測(cè)試腔分上下兩部分，薄膜固定在中間，高純氧氣在薄膜的上腔流動(dòng)，高純氮?dú)庠诒∧さ南虑涣鲃?dòng)，氧分子透過薄膜擴(kuò)散到另一側(cè)的氮?dú)庵校涣鲃?dòng)的氮?dú)鈹y帶至傳感器，通過對(duì)傳感器測(cè)量到的氧氣濃度進(jìn)行分析，從而計(jì)算出氧氣透過量。
電量法工作原理圖
五、對(duì)應(yīng)檢測(cè)儀器
W301水汽透過率測(cè)定儀
適用于食品、藥品、電子、日化等行業(yè)的包裝材料，如：高阻隔薄膜、共擠膜、鋁箔、鍍鋁膜、輸液袋、片材、涂覆膜、太陽(yáng)能背板、玻璃紙、陶瓷薄片和瓶、袋、罐等容器的水汽透過量阻隔性測(cè)試。
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測(cè)濕范圍 |
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0.01~10000 g/（m2•24h） |
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分 辨 率 |
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0.001 g/（m2•24h） |
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控溫范圍 |
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15℃~45℃ |
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控溫精度 |
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±0.1℃ |
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控濕范圍 |
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0~10%RH（干燥法） |
◆精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠
測(cè)量精度達(dá)到0.001 g / (m2·24h)，行業(yè)領(lǐng)先
◆操作簡(jiǎn)便、曲線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示
◆可脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行
◆技術(shù)先進(jìn)性
◆測(cè)試范圍廣
W533水汽透過率測(cè)定儀
三腔獨(dú)立增重法原理測(cè)試，三個(gè)獨(dú)立報(bào)告，每腔都有獨(dú)立的溫度、濕度及稱重控制系統(tǒng)，可單腔或兩腔或三腔運(yùn)行，每腔可獨(dú)立停機(jī)換樣，測(cè)試效率高。
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測(cè)濕范圍 |
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0.01~10000 g/（m2•24h） |
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分 辨 率 |
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0.001 g/（m2•24h） |
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稱重范圍 |
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0.1mg~300g |
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控濕精度 |
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±2%RH |
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稱重傳感器數(shù)量 |
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3個(gè) |
◆完全按照國(guó)標(biāo)GB/T1038-2000設(shè)計(jì)
◆操作簡(jiǎn)便、曲線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示
◆可脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行
◆防止平行樣測(cè)試時(shí)發(fā)生的偶然誤差和系統(tǒng)誤差
◆測(cè)試范圍廣
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